Особенности инженерно-геологических условий формирования отвалов фосфогипса

В настоящее время для всех производителей фосфорсодержащих минеральных удобрений актуальной является проблема обращения с крупнотоннажным сульфатным отходом производства - фосфогипсом, которого образуется до 1,6 т при переработке 1 т исходного сырья. Мировой годовой выход фосфогипса составляет более 150 млн. тонн, при этом на долю России приходится около 14 млн. т. На отдельных российских предприятиях выход фосфогипса достигает 4 млн. т в год.

В большинстве зарубежных стран и в России в силу сложившихся производственно-экономических условий переработка фосфогипса не рентабельна и он практически весь направляется на хранение на специально спроектированные объекты размещения - отвалы. Исключение составляют страны, не имеющие месторождений природного гипса. Пример - Япония, где фосфогипс  полностью  использовался на производственные цели. [1]

Фосфогипс - полидисперсный  материал  серо-белого цвета, представленный агрегатами частиц,  комками  с межагрегатными пустотами. Он содержит примеси неорганических и органических соединений,     водно-растворимых     и     водно-нерастворимых, адсорбированных на поверхности кристаллов и встроенных в кристаллическую решетку. Фосфогипс проявляет тиксотропные свойства, т. е. способен разжижаться при механических воздействиях (вибрации, перемешивании, встряхивании). Среднее содержание фторидов в фосфогипсе в зависимости от исходного сырья составляет 0,05—0,4%, влажность — от 30 до 40%. Влажный фосфогипс, особенно свежеобразованный, проявляет большую коррозионную активность.

В России крупнейшими холдингами в промышленности минеральных удобрений являются «Фосагро», «УралХим», «Апатит», «ЕвроХим» и т. д. Предприятия располагаются в Московской, Мурманской, Ленинградской, Саратовской областях, Пермском крае. Для размещения отвалов фосфогипса из сферы лесного и сельского хозяйства изымаются значительные площади ценных земель. Важной проблемой при этом является обеспечение устойчивости отвальных сооружений и обоснование их оптимальных параметров.

Устойчивость отвальных сооружений определяется следующими факторами (признаками природно-техногенной системы):

• 1.    Строением отвального массива и физико-механическими свойствами техногенных пород, отсыпаемых в отвал.

• 2.    Строением естественного основания отвального сооружения и физико-механическими свойствами слагающих его отложений.

• 3.    Характером обводнённости отвального массива и его основания (уровнем техногенного водоносного горизонта, уровнем и напорами подземных вод в основании отвала).

Суть расчетов устойчивости состоит в том, что при известных параметрах перечисленных признаков природно-техногенной системы должны быть рассчитаны углы заложения внешних откосов отвального сооружения, при которых устойчивость откосов обеспечивается с коэффициентом запаса выше нормативного, рекомендованного нормативно-методическим документом. [4]

Рассмотрим проблему обоснование параметров отвалов на примере объектов Воскресенских (ОАО «ВМУ») и Балаковских (ООО «БМУ») минеральных удобрений. В процессе производства фосфорных удобрений здесь использовались технологии, при которых образовывались две разновидности фосфогипса: полугидрат и дигидрат сульфата кальция.

Отвальное хозяйство завода БМУ включает в себя два отвала. Первый отвал, являющийся наиболее старым по возрасту, сформирован полностью из дигидрата сульфита кальция. Второй имеет более сложное строение: нижняя часть мощностью от 15 до 35м. сложена дигидратом сульфита кальция, а верхняя – мощностью 20-28 м представлена смесью в соотношении 1:1 двух разновидностей фосфогипса – дигидрата и полугидрата. Максимальная высота отвальных сооружений достигает 60 м, фактические углы наклона откосов изменяются от 25 до 40 град.[3]

Отвалы фосфогипса ОАО «ВМУ» в количестве двух сооружений находятся в г. Вoскpесенск Московской области. Так называемый, старый отвал фосфогипса формировался до 1990 года, когда на заводе использовалась технологическая схема с выходом отходов, представленных дигидратом сульфита кальция. Его высота на момент завершения эксплуатации достигла 60 метров при углах наклона откосов 25-38 град. «Новый отвал фосфогипса» начал отсыпаться после закрытия старого горнотехнического сооружения и на первых этапах принимал отходы, представленные дигидратом сульфита кальция. Затем произошло изменение технологии производства с переходом на образование отходов в виде полугидратов сульфита кальция. Данные обстоятельства предопределили создание двухслойной системы отвала, где нижняя часть сложена дигидратом, а верхняя часть – полугидратом сульфита кальция.

Фактические угла наклона откосов изменяются от 25 до 34 градусов, максимальная высота отвального сооружения достигает 65 м. (рис. 1)

Рис. 1. Отвал фосфогипса ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»

Изучение физико-механических свойств отходов производства фосфорных удобрений производится обычно в лабораторных условиях по образцам, отобранным из буровых скважин. Опыт буровых работ, произведенных на всех рассмотренных выше отвалах, свидетельствует о практически невозможности извлечения из техногенных массивов монолитов ненарушенного сложения. Поэтому испытаниям подвергались либо образцы нарушенного сложения, либо готовились искусственно монолиты из различных разновидностей отходов. В частности, при выполнении инженерно-геологических работ на отвалах ООО «БМУ» в 2010 году [2] было выполнено моделирование условий образования техногенных пород – фосфогипсов. Были изготовлены непосредственно в заводских условиях монолиты из дигидрат и полугидрата сульфата кальция (фосфогипс), а также их смеси в соотношении примерно 1:1.

В табл. 1 приведены данные изучения физико-механических свойств пород отвала и его основания для условий ООО «БМУ» [3]. Расчеты устойчивости их откосов, выполненные с использованием данных свойств, показывают, что отвальные массивы высотой 60 м должны характеризоваться устойчивыми углами откосов не более 23 град. Однако фактически они значительно выше, достигая на отдельных участках 40 град. Это свидетельствует о том, что испытанные при данных исследованиях фосфогипсы на самом деле имеют свойства значительно выше.

Таблица 1

Физико-механические свойства пород площадки отвала [3].

Исследования образцов, смоделированных в заводских условиях, показали, что полугидраты и дигидраты достаточно быстро (за 30 суток) увеличивают сцепление с различной интенсивностью, при этом полугидраты делают это наиболее значительно (до 0,1 МПа). Рассматривая результаты выполненных сдвиговых опытов пород, отобранных их отвалов с нарушенным сложением, показывают, что большая часть исследуемой толщи характеризуется значительными углами внутреннего трения (30-43 град.) и сцеплением, увеличивающимся с глубиной от 0,026 до 0,09 МПа. Таким образом, фактически в отвалах прочностные свойства фосфогипса значительно выше, чем использовалось для расчетов устойчивости при обосновании проекта отвала.

Важную роль в формирование отвала играет его основание, а точнее физико-механические свойства слагающих его пород. Однако серьезных проблем с извлечение монолитов из буровых скважин нет. Прочностные свойства их примерно соответствуют средне статистическим, установленным для регионов размещения отвальных сооружений. Однако данное обстоятельство тоже требует проверки, так как фильтрующиеся из отвала жидкости могут существенно влиять на формирование состояния и свойства пород основания отвала.

При формировании отвальных массивов из пород и материалов, содержащих различные виды воды, особенно гравитационную, и размещении их на территориях, сложенных водонасыщенными глинистыми отложениями или характеризующихся наличием водоносных горизонтов с напорным и безнапорным режимом фильтрации, формируются природно-техногенные системы с нестабильным напряженно-деформированным состоянием пород за счет развития и изменения порового давления. Изменение порового давления ведет к трансформации физико-механических свойств пород, к развитию вертикальных деформаций уплотнения, а, иногда, и горизонтальных, вызывающих оползневые смещения. Необходимость изучения порового давления и его учета в расчетах устойчивости горнотехнических сооружений определена многими нормативными документами, действующими в настоящее время в области обеспечения промышленной безопасности. Знание закономерностей развития порового давления в глинистых водонасыщенных массивах естественного и техногенного происхождения позволяет правильно определять безопасные параметры откосов, грамотно организовывать мониторинг их устойчивости, производить наблюдения за ходом фильтрационной консолидации, существенно сократить объемы инженерно-геологических исследований и повысить эффективность гидрогеомеханических расчетов.

Таким образом, обоснование параметров отвалов, сложенных фосфогипсами с различным содержанием химически связанной воды – дигидратами и полугидратами, является интересной научной задачей. Ее решение позволит увеличить параметры – угол откоса и высоту существующих отвальных сооружений и позволит обеспечить промышленную и экологическую безопасность отвальных работ. Следует также отметить о необходимости разработки методики инженерногеологического обеспечения отвалообразования на предприятиях, производящих фосфорные удобрения.